艦船電子設備機箱屏蔽效能分析

李亞輝

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

1 概述

艦船電子設備高速發展帶來的電磁干擾問題嚴重制約著其工作的可靠性，因此，怎樣防護電磁干擾問題受到了各界人士的高度關注。電磁干擾源的類型不同，可分2種情況分析電磁干擾的特性：①當外部源為電磁干擾源時，可等效為分析艦船電子設備抵抗其他艦船電子設備電磁輻射的能力；②當內部源為電磁干擾源時，可等效為分析艦船電子設備阻止其內部電磁能量向設備外輻射的能力。艦船電子設備對外產生電磁干擾及受到其他電子設備電磁干擾的途徑有傳導干擾和輻射干擾，耦合路徑主要有機箱、電纜、電源，有效抑制輻射干擾的方法是屏蔽機箱內電子設備。

除了低頻磁場以外，完全封閉的金屬殼體對電磁干擾具有很高的屏蔽效能。但是，在實際工作中，由于觀測、檢查及通風、散熱等需要，屏蔽機箱上不可避免需要大量開孔，這些孔洞的存在會破壞機箱屏蔽的完整性、降低機箱殼體的屏蔽作用，影響艦船電子設備的正常工作。因此，分析電磁場與開有孔縫金屬機箱的耦合規律、研究耦合場的分布情況及孔縫對屏蔽效能的影響，找出提高電子設備機箱屏蔽效能的方法，具有實際的工程應用前景。在低頻段，影響屏蔽效能的主要因素是材料及接地，隨著工作頻率的增高，影響屏蔽效能的主要因素為機箱的孔縫，機箱材料及其厚度的影響變為次要因素[1]。

國內外眾多學者研究了在外部干擾源近似為均勻平面波條件下帶孔機箱的電磁特性，但由于近場源輻射場與遠場源輻射場的不同，如果不考慮輻射源位置，采用平面波推導得到的屏蔽效能計算方法均不適用于近場屏蔽效能的計算。當入射場的源距離屏蔽層足夠遠時，即屏蔽體在入射場源的遠場中，入射波可近似為均勻平面波；當屏蔽體在入射場源的近場中，屏蔽技術依賴于源的類型，已不能簡單近似均勻平面波作為干擾源，近場的輻射場遠比遠場復雜。根據文獻[2]提出利用偶極子陣列對印制電路板干擾源的電磁輻射特性進行等效建模的方法，本文的近場干擾源用電偶極子等效。

本文以帶孔機箱為研究對象，采用基于有限元算法的HFSS軟件進行電磁場仿真計算，分析近場源輻射場與遠場源輻射場屏蔽效能的不同，以及不同的開孔結構參數對機箱屏蔽效能的影響，所得到的結論可用于指導實際生產設計。

2 電磁屏蔽原理

2.1 屏蔽效能

屏蔽效能（shielding effectiveness，SE）表示屏蔽體對電磁波的衰減程度，其定義為同一點沒有屏蔽時的場強幅度E0與屏蔽體存在場強幅度E1之比，以分貝表示為：

機箱的屏蔽效能受到機箱厚度、形狀、材料特性，機箱上孔縫的數量、形狀、尺寸，機箱內部的印制板，以及輻射源的頻率、入射角等的顯著影響。

2.2 源輻射場

源輻射場以電偶極子天線為例，通過對天線表面上電流分布的積分運算，可得到電偶極子天線的輻射電場和磁場。電偶極子由帶有電流向量I的長度為dl的無窮小電流元組成，假設電流向量在沿電流元長度的所有點上都是相同的（包括相位和幅度），則自由空間中電偶極子的輻射場為：

式（2）（3）（4）中：η0為自由空間的固有阻抗；β0＝λ0/2π為傳播常數；r為場點與電偶極子中點的距離。

由這些公式可知，當場點距離天線非常近時，公式中所含1/r3和1/r2起支配作用；當遠離天線時，含1/r的項開始起支配作用。當含1/r3和1/r2項與含1/r的項相比時，可以忽略不計的點就是遠場和近場的邊界，這個邊界大致在r＝λ0/2π處。在電偶極子的近場區，感應的電場強度以1/r3規律減小，感應的磁場強度以1/r2規律減小；電偶極子的遠場區，電場、磁場分量均隨距離成反比的減小。

3 近場屏蔽效能與遠場屏蔽效能的比較

本文所采取的帶孔機箱的腔體尺寸為120 mm×300 mm×300 mm，厚度為1 mm，材料為理想導體（PEC）；開孔尺寸為150 mm×20 mm，開孔位置開在300 mm×300 mm機箱面中心位置上；仿真環境的邊界條件設為吸收邊界，且設置輻射邊界距離輻射體大于1/4個工作波長；頻率掃描范圍0.1～1 GHz，觀測點位于機箱中心。

在機箱外部正對開孔中心位置設置干擾源，分別用均勻平面波近似遠場輻射源和電偶極子天線近似近場輻射源，仿真得到屏蔽效能與頻率的關系曲線，如圖1所示。

圖1 近場源和遠場源屏蔽效能對比

由圖1可知，隨著頻率的增大，箱體的屏蔽效能減小，且在0.9 GHz附近箱體出現共振現象，此時箱體的屏蔽效能最差。這是因為當電磁波進入一個由導體制成的封閉腔體時，它在腔內被連續反射，電場與磁場相互轉換，交替出現在相對應的場強最大位置上，從而形成了諧振。在諧振頻率附近，外界耦合進入箱體的電場強度很強，此時電子設備屏蔽體的屏蔽效能最差。

從圖1中還可以看出，均勻平面波的屏蔽效能高于電偶極子的屏蔽效能，究其原因在于干擾源的近場區輻射場與遠場區輻射場的差異性。用均勻平面波近似遠場輻射源和電偶極子天線近似近場輻射源，由源輻射場公式可知，遠場區輻射場不存在縱向分量，而近場區輻射場存在，且隨著頻率增大縱向分量不斷增強。如果電偶極子輻射場垂直入射到電子設備機箱表面時，機箱對縱向分量不起屏蔽作用，因此兩者表現出不同的屏蔽效能規律。

4 開孔參數對屏蔽效能的影響

常見的開孔參數有開孔形狀、開孔數量、開孔間距。本小節基于外加均勻平面波為干擾源的方法，分析不同的開孔參數對屏蔽效能的影響。

4.1 開孔形狀

機箱模型采用上一節的尺寸，開孔為單孔，開孔位置位于機箱中心位置，在開孔面積都為3 000 mm2的情況下，分別分析圓孔（半徑R＝30.91 mm）、方孔（邊長a＝54.77 mm）、矩形孔150 mm×20 mm、矩形孔75 mm×40 mm對屏蔽效能的影響。不同的開孔形狀屏蔽效能如圖2所示。

圖2 不同開孔形狀屏蔽效能比較

由圖2可知，在開孔面積相同的情形下，圓孔的屏蔽效能最好，方孔的屏蔽效能比圓孔略差，矩形孔的屏蔽效能最差。矩形孔150 mm×20 mm的屏蔽效能在0.7～1 GHz間出現負值，說明矩形孔的長寬比越大，屏蔽效能越差。所以當屏蔽機箱開孔時，盡量使用圓形孔縫，以取得最佳屏蔽效能。

4.2 開孔數量

機箱模型采用上一節的尺寸，開孔為圓形孔陣，孔陣位于機箱中心位置，在開孔面積為3 000 mm2的情況下，分別分析單圓孔、3×3圓形孔陣、5×5圓形孔陣對屏蔽效能的影響，具體如圖3所示。

圖3 不同開孔數量屏蔽效能比較

由圖3可知，在開孔面積相同的情況下，5×5圓形孔陣的屏蔽效能最好，3×3圓形孔陣的屏蔽效能稍差，單圓孔的屏蔽效能最差。在開孔相同面積的情形下，開多孔的箱體比開少孔的箱體的屏蔽效能要好，開孔數量越多，屏蔽效能越好。源輻射場會在金屬機箱上產生感應電流，而感應電流產生的反射場可以抵消源輻射場達到屏蔽的效果。因此，感應電流無阻礙地流動可以提高箱體的屏蔽效能，如圖4所示，帶箭頭線條即感應電流及其流動方向。但是，箱體上的孔縫會打斷感應電流的無阻礙流動，降低箱體的屏蔽效能。例如，垂直于感應電流方向的縫隙寬度對屏蔽效能影響很大，如圖5所示。對于圓孔，縫隙寬度就是孔直徑。如果用許多個小孔代替一個大孔，散熱作用與大孔相差不大，但對感應電流有很小的阻礙，如圖6所示。所以，在相同面積的開孔情況下，開多孔機箱屏蔽效能比開少孔的好。

圖4 縫隙對感應電流的影響

圖5 縫隙對感應電流的影響

圖6 小孔孔陣對感應電流的影響

4.3 開孔間距

本節研究開孔間距對屏蔽效能的影響，仿真計算采用3×3圓形孔陣，如圖7所示。設圓孔半徑R＝10.30 mm不變，從1 mm到10 mm改變孔間距h，得到不同頻率下隨孔間距變化的屏蔽效能曲線。不同開孔間距在不同頻率下的屏蔽效能比較如圖8所示。圖8顯示在一定頻率，孔間距h從1 mm到10 mm的均勻變化時，箱體屏蔽效能呈緩慢增加趨勢，但變化幅度不大；在不同的頻率下，機箱屏蔽效能與機箱孔距之間的變化趨勢相同。

圖7 孔陣示意圖

5 結論

本文采用Ansoft HFSS電磁場仿真軟件建模仿真，分別從干擾源為遠場源和近場源2個方面分析電磁屏蔽。由于近場源場分量復雜，基于平面波的遠場屏蔽效能計算不適用于近場屏蔽效能的計算，因此，工程設計利用HFSS電磁屏蔽仿真時，應選擇合理的輻射源，否則會得出錯誤的結果。

基于均勻平面波在機箱外部作為遠場輻射源，分析開孔形狀、開孔數量、開孔間距3種參數對屏蔽效能的影響，可知：①對于不同開孔形狀的單孔，只要面積相等，圓孔的屏蔽效能最好，方孔屏蔽效能略差，矩形孔屏蔽效能最差。矩形孔的長寬比越大，耦合進箱體的能量越多，屏蔽效能越差，因此，屏蔽箱體應盡量避免矩形孔縫。②在相同的開孔面積下，開多孔箱體的屏蔽效能比開少孔的好，開孔越細密，屏蔽效能越高。所以，在屏蔽箱體表面開孔時，應盡量選取較細密的孔陣，以達到更好的屏蔽效果。③開孔間距也是影響屏蔽效能的一個因素。隨著開孔間距的增大，箱體屏蔽效能呈緩慢增加趨勢，耦合進箱體的電磁波呈減小趨勢，孔縫之間的耦合有所減弱。當入射電磁波頻率越高、波長越小時，箱體屏蔽效能越差。因此，在設計屏蔽箱體的孔陣時，應合理安排孔縫之間的距離。

圖8 不同開孔間距在不同頻率下的屏蔽效能比較

參考文獻：

［1］毛湘宇，杜平安，聶寶林.基于TLM的機箱孔縫電磁屏蔽效能數值分析［J］.系統仿真學報，2009，21（23）：7493-7497.

［2］曹鐘，杜平安，聶寶林，等.基于磁偶極子陣列的印制電路板干擾源等效建模方法［J］.物理學報，2014，63（12）：161-167.

［3］Clayton R.Paul.電磁兼容導論［M］.聞映紅，譯.北京：人民郵電出版社，2007：465-488.

［4］劉恩博，杜平安，周元，等.以PCB為干擾源的帶孔機箱電磁輻射特性仿真研究［J］.電子學報，2015，45（3）：611-614.